中國電力設備管理協(xié)會能源大腦產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心

李杰浩 何清素 辛明 劉杰 張彬 陸成學 亢淑娟 王東剛

我國擁有海洋國土面積299.7萬平方公里，島嶼面積72800多平方公里，島嶼岸線長14217.8公里，500平方米以上的島嶼6536個，有人居住的島嶼450個。我國島嶼小島多、大島少，無人島多、有人島少，缺水島多、有水島少。

為加快海洋開發(fā)，促進海島可持續(xù)發(fā)展，提高海島居民的生活水平，通過分布式能源開發(fā)，因地制宜建設“風、光、柴、儲”海島能源大腦微網(wǎng)，為海島發(fā)展供給清潔能源。

能源大腦微網(wǎng)是將可再生能源發(fā)電技術(shù)(風力發(fā)電、光伏發(fā)電、生物質(zhì)能、潮汐能等)、人工智能微網(wǎng)系統(tǒng)和輸配電基礎(chǔ)設施高度集成的新型能源系統(tǒng)，它具有提高能源效率、提升供電安全性和可靠性、減少電網(wǎng)電能損耗、減輕對環(huán)境影響的多重作用（見圖1）。

圖1 能源大腦微網(wǎng)構(gòu)成架構(gòu)圖

強化科研技術(shù)，深入開發(fā)建設能源大腦微網(wǎng)有利于擴大分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，為海島提供可靠的能源供給，實現(xiàn)有效的主動式配電網(wǎng)方式，促進智能微網(wǎng)變革。

一、能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺助推海上微網(wǎng)建設

依托微網(wǎng)建立的能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺——能源大腦是海上微網(wǎng)的基礎(chǔ)，結(jié)合國家相關(guān)機構(gòu)發(fā)布《中國制造2015——能源裝備實施方案》、《配電網(wǎng)建設改造行動計劃（2015-2020年）》、《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等相關(guān)政策，我們通常把建在集成、高速雙向通信網(wǎng)絡基礎(chǔ)上的電力系統(tǒng)稱為2.0時代；隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，基于能源大腦多能互補微網(wǎng)3.0時代大幕已經(jīng)開啟。

AI時代已經(jīng)到來，能源大腦產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心將探討引入人臉識別、圖像識別、自然語言理解、大數(shù)據(jù)等AI能力，在電力系統(tǒng)的信息化建設、能源服務、生產(chǎn)運行、電力調(diào)度、科技研究、客戶服務等領(lǐng)域開展深入合作。未來將聚焦于整個電力行業(yè)，以人工智能核心技術(shù)能力為基礎(chǔ)，全面覆蓋發(fā)電、輸電、配電、售電、用電等環(huán)節(jié)。

人工智能是未來智能電網(wǎng)的核心。目前，國家發(fā)改委及國家能源局、工信部都將人工智能納入發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，強調(diào)人工智能與各行業(yè)的融合與應用，其中在《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智能電網(wǎng)建設。AI在電力等能源行業(yè)的未來想象和發(fā)展空間十分廣闊，國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預計，AI撬動的智慧能源市場，到2020年市值將達到5160億美元、約3.3萬億元人民幣。

圖2 能源大腦微網(wǎng)系統(tǒng)拓撲用例

能源大腦微網(wǎng)基于全方位的人工智能技術(shù)體系構(gòu)建∶通過模擬、延伸、擴展人類智能，基于機器視覺、語音、自然語言處理等技術(shù)，輔助人類在電網(wǎng)輸電、配電等各環(huán)節(jié)做出分析、判斷、優(yōu)化、決策等，相比人類能夠做到實時且不斷自我進化，持續(xù)幫助企業(yè)推進智能電網(wǎng)、智慧能源健康發(fā)展。

能源大腦微電網(wǎng)系統(tǒng)有風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等；負荷系統(tǒng)由必須保障的重要負荷和其他可切除的非重要負荷，系統(tǒng)中的各微源都要接受微網(wǎng)中央控制系統(tǒng)的調(diào)度，并網(wǎng)型微電網(wǎng)既可以并網(wǎng)運行，也可以脫離大電網(wǎng)孤島模式運行。

微電網(wǎng)系統(tǒng)采用三層拓撲結(jié)構(gòu)：微電網(wǎng)管理層。能源大腦云平臺及能量管理系統(tǒng)、物控云SCADA監(jiān)控系統(tǒng)；微電網(wǎng)協(xié)調(diào)層。能源大腦控制系統(tǒng)；微電網(wǎng)執(zhí)行層。分布式發(fā)電單元、智能網(wǎng)關(guān)斷路器、負荷等（見圖2）。

基于人工智能的能量管理系統(tǒng)在能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺中處于核心地位，是能源大腦微網(wǎng)執(zhí)行測量、監(jiān)視、控制、保護以及高級策略實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，在實現(xiàn)能源大腦微網(wǎng)的實時能量調(diào)度與管理、跟蹤、監(jiān)測等方面起到舉足輕重的作用。

能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺的核心管理系統(tǒng)，主要對微網(wǎng)分布發(fā)電單元設備的發(fā)電功率進行預測，對微網(wǎng)中能量按最優(yōu)的原則進行分配，協(xié)同海上“風、光、儲、柴”之間的多能互補。

能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具有預測微電源出力、優(yōu)化儲能充放電、管理可控負荷、維持系統(tǒng)穩(wěn)定、實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行等功能。

能源微網(wǎng)行業(yè)未來的發(fā)展主要在于優(yōu)化和預測，人工智能可以針對能源生產(chǎn)、能源電網(wǎng)平衡和消費習慣等方面提供獨特的解決方案。可以預見，人工智能將成為能源行業(yè)的重要組成部分，廣泛應用于生產(chǎn)方、傳送方和消費方。

人工智能是一個自我學習和推演的應用過程，而非模仿人類工作的編程方式，即其能夠集合人類擅長的，例如視覺感知、理解、溝通、隨機應變等能力，同時克服人類極限，將這些優(yōu)勢與當前的計算機大規(guī)模而且迅速的數(shù)據(jù)處理功能結(jié)合起來，主要功能：微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源、儲能系統(tǒng)和負荷進行監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析?；跀?shù)據(jù)分析結(jié)果生成實時運行曲線。根據(jù)預測調(diào)度曲線，制定合理的功率分配曲線下發(fā)給微網(wǎng)中央控制器。

人工智能預測系統(tǒng)可分為發(fā)電預測和負荷預測兩部分。經(jīng)濟調(diào)度模塊在微網(wǎng)并網(wǎng)的情況下，其優(yōu)化目標函數(shù)為能源大腦微網(wǎng)節(jié)省運行費用，在微網(wǎng)離網(wǎng)的情況下，其優(yōu)化目標提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和縮減運行費用。

能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是由預測模塊和調(diào)度模塊組成的能量系統(tǒng)，其主要目的是根據(jù)負荷需求、天氣因素、海島實時數(shù)據(jù)、電力實時數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)運行狀態(tài)等，在滿足運行條件以及儲能等物理設備的電氣特性等約束條件下，協(xié)調(diào)微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部分布式電源和負荷等模塊的運行狀態(tài)，優(yōu)化微電源功率出力，以最經(jīng)濟的運行成本向用戶提供滿足質(zhì)量的電能。能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具有預測微電源出力、優(yōu)化儲能充放電、管理可控負荷、維持系統(tǒng)穩(wěn)定、實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行等功能（見下頁圖3）。

圖3 能源大腦微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)信息流示意圖

二、多能互補微網(wǎng)構(gòu)建“能源長城”

從實際情況來看，通常的海島用電量不大，并且海島比較分散，故對大部分的海島而言不太適宜于在海島上或海島臨近海域建設固定風電與光伏漂廊。固定式風電需要打樁，而在欠開發(fā)的海島上開展打樁工作，無論是樁基的運輸、打樁設備的進退場、風機的吊裝以及當?shù)氐暮Ｑ蟮刭|(zhì)勘探工作，都有現(xiàn)實的困難。從經(jīng)濟性方面來講也非常不合算。

漂浮式微網(wǎng)是海洋油氣工程和風電技術(shù)的結(jié)合，目前在技術(shù)上已經(jīng)成熟。無論是抗臺風漂浮基礎(chǔ)的設計與建造、基礎(chǔ)的海上安裝與錨固、結(jié)構(gòu)的抗腐蝕等均有完善、成熟的技術(shù)手段可以實現(xiàn)，保障漂浮風電安全和可靠運營。具體優(yōu)勢如下：

可靠性高，高效運營：二次風源發(fā)電機組在運行時基本不會出現(xiàn)同時損壞、檢修維護現(xiàn)象。

抗臺風強，安全穩(wěn)定：結(jié)構(gòu)是一個直徑4米高10米的圓筒柱，重心在3米，最大抗臺風能力在56米/秒至60米/秒，在10級臺風狀況下可以正常工作。

效益極高，回報可觀：30年壽命度電成本0.1元以下。在綜合電價1元/度的設定條件下最長2年回收投資，后續(xù)可低成本使用28年。

創(chuàng)新技術(shù)，發(fā)電量大：二次風源發(fā)電機(人造龍卷風發(fā)電)為主體，極端惡劣氣候停機12天/年，年均工作為353天。每臺風機年可發(fā)電135.55萬度。

抗腐蝕強，壽命加長：金屬結(jié)構(gòu)外表采用5層防腐涂層，逆變器柜、電氣柜風扇散熱冷卻采用負壓處理，適應海上工況運行。

維護方便，故障率低：主要部件發(fā)電機、電動機、變速箱均安裝在底部，方便安裝運維，物聯(lián)網(wǎng)平臺可以遠程運維。

智能環(huán)保，效果優(yōu)良：無巨大的風葉，所有旋轉(zhuǎn)風葉均內(nèi)置在一個圓筒柱內(nèi)，對鳥類無傷害，運行中無廢氣、廢液、灰塵排放。

漂浮式微網(wǎng)發(fā)電技術(shù)利用海上風力資源，更重要的是為日益增加的海上活動提供能源，風電多元化應用必將使眾多海島從中受益匪淺：遠洋輪船、深海遠程潛艇、遠程科學考察船等可以在大海上直接獲取電能；開發(fā)海底石油和礦產(chǎn)的工程隊可以從海上獲得充分的電能；電能的保障為開發(fā)海上旅游項目提供了可能；非并網(wǎng)“風、光、儲、柴”直接應用于海水淡化、氯堿、有色金屬冶煉及非金屬加工等大范圍高耗能產(chǎn)業(yè)。同時，可通過海纜向臨近海島供電。

在光伏發(fā)電方面，銅銦鎵硒電池光電轉(zhuǎn)換效率達到達21%，砷化鎵雙結(jié)薄膜電池的實驗室轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達到31.6%。漢能薄膜電池使用透明高阻封裝膜材料ETFE具有阻水、阻氧、耐腐蝕、抗鹽霧、抗UV等功能，厚度只有1微米，不及晶硅電池1/100。方便把薄膜貼在防海水腐蝕的材料上，免受海水侵襲。

海島沿線的風機之間通過薄膜“漂浮組件管廊”連接成一個微網(wǎng)發(fā)電、儲能、海水淡化、通訊照明一體化的“能源長城”。因浮廊成本(相當于船甲板等面積的一個平臺)非常高，所以光伏板裝機容量減少至240千瓦，最小安裝面積1440平方米，二次風源發(fā)電機增至11臺，最小安裝面積165平方米?？偪厥液斉潆?、柴油發(fā)電、逆變器、通信調(diào)度。儲能電池最小面積200平方米，淡水制作設備150平方米總共需要1955平方。浮廊平臺采用2個長60米寬12米高4米的平臺，2個平臺中間隔12米之間采用柔性雙絞接聯(lián)接，組成一個等效長60米，寬36米的平臺，等效面積為2160平方米，可在極限浪高20米的海況下生存。并可采用多個浮廊平臺柔性絞接串聯(lián),串聯(lián)長度最大可達20公里。

太陽能和風能發(fā)電成本大幅下降，意味著太陽能和風能發(fā)電已經(jīng)具備了與傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電技術(shù)相當?shù)某杀靖偁幜?。這使得能源大腦微網(wǎng)能夠在完成穩(wěn)定電力供應這一主要任務的同時，以經(jīng)濟可行的方式實現(xiàn)清潔能源目標。

能源大腦大數(shù)據(jù)云平臺的應用，為能源需求提供了安全性、經(jīng)濟性保障。采用能源大腦微網(wǎng)系統(tǒng)解決方案，可以系統(tǒng)性解決我國海洋面積廣闊，眾多島嶼的清潔能源需求。

在海上搭建風、光、儲、柴多能互補的“能源長廊”微網(wǎng)，通過能源大腦微網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺對海上能源微網(wǎng)進行全方位智能化控制，為海上安全構(gòu)建壁壘，在遼闊的海疆樹立海上“能源長城”。